FRACTOGRAPHIC STUDY OF FRACTURE SURFACES IN WELDED JOINTS OF HSLA STEEL AFTER MECHANICAL TESTING Doc.Dr.Ing. Antonín KŘÍŽ Sborník str. 183-192
Požadavky kladené dnešními výrobci, zejména v průmyslu dopravních prostředků, na vlastnosti konstrukčních materiálů, jsou hnacím motorem pro vylepšování klasických konstrukčních materiálů. Požadavkem je, aby materiál splňoval celou řadu, mnohdy protichůdných vlastností. Na jedné straně je to vyšší mez kluzu a pevnosti při dodržení dostatečné tažnosti a zároveň i svařitelnosti. 2
3
Princip vysokopevnostních mikrolegovaných ocelí 4 Řízené válcování je založeno na principu klasického tváření v oblasti austenitu při teplotě okolo 1000 C a následném tváření při nižších teplotách (okolo 800 C).
Aplikace mikrolegovaných ocelí ve Škoda Auto a.s. Mez kluzu materiálu R [MPa] e Do 180 180-300 300-500 Nad 500 0ctavia I. [%] 87 5 6 2 Octavia II. [%] 22 65 7 6 5
6 Pro svařované spoje je charakteristická tepelně ovlivněná oblast, která se vyznačuje odlišnou strukturou i vlastnostmi. U běžných ocelí, kde velikost zrna nemá tak významný vliv spolu s rozložením precipitujících fází na výsledné vlastnosti, není třeba tento mechanismus příliš sledovat. Významný problém nastává právě u mikrolegovaných ocelí, které dosahují svých specifických vlastností uvedenými faktory.
Cílem řešeného projektu bylo doporučit konstruktérům kolejových vozidel takový materiál, který by splňoval stále se zvyšující bezpečností kriteria a přitom nedocházelo ke zvýšení hmotnosti. Ocel DOMEX 700MC Chemické složení a mechanické vlastnosti oceli DOMEX 700MC C Si Mn P S Al Nb Ti V Max. 0,12 Max. 0,1 Max. 2,1 Max. 0,025 Max. 0,01 Min. 0,015 Max. 0,09 Max. 0,15 Max. 0,2 Nb+V+Ti max. 0,22%; Mo max. 0,5%; B max. 0,005% Smluvní mez kluzu Rp0,2 Mez pevnosti Rm Tažnost A5 KCV -20 C KCV -40 C Min. 700 MPa 750-950 MPa Min 12% 52 J/cm 2 71 J/cm 2 7
Z ekonomického hlediska jsou mikrolegované oceli velmi zajímavým sortimentem. Jejich cena se odvíjí od klasických ocelí a to proto, že obsah cenu zvyšujících prvků je na velmi nízké koncentraci (do 0,5%). Cena posuzované mikrolegované oceli DOMEX 700MC se dle množství odběru pohybuje okolo 32,-Kč/kg, zatímco ocel (dle ČSN) 11523 (S355J2G3) se prodává za cca 22,-Kč/kg. S přihlédnutím k mechanickým vlastnostem mikrolegované oceli vyplývá, že mez kluzu se zvýší o 75% a pevnost dokonce o 82%. Zvýšení pevnosti a meze kluzu umožňuje snížit hmotnost při zachování tuhosti o uvedených 75% tj. úspora je 6,50 Kč na 1kg mikrolegované oceli. Mechanické vlastnosti oceli DOMEX 700MC a oceli S355J2G3 Ocel Smluvní mez kluzu Rp0,2 Mez pevnosti Rm Tažnost A5 DOMEX 700MC Min. 700 MPa 750-950 MPa Min 12% S355J2G3 355 MPa 490-630 MPa Min. 22% 8
První pokus svaření malé zkušenosti se svařováním těchto ocelí Defekt v kořeni svaru Vzorky byly prohnuty následkem tepelných pnutí Lomová plocha dokumentovala neodbornost svaření 9
Druhé svaření dodržení podmínek svar bez defektů Tepelně ovlivněná oblast základního materiálu Svarový kov Natavená oblast základního materiálu 10
Mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti byly zjištěny na univerzálním trhacím stroji Zwick-Roell ve Výzkumném ústavu ŠKODA Plzeň. Rychlost zatěžování byla do meze kluzu 7 mm/min a zbytek testu byl proveden při rychlosti 15 mm/min. 11 Napětí [MPa] 840 820 800 780 760 740 720 700 680 660 640 620 600 Mechanické hodnoty ze zkoušky tahem Mez kluzu Mez pevnosti A1-A4 A3-A6 A2-A5 B1-B4 B3-B6 B2-B5
Mechanické vlastnosti Typ svaru Vzorek Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A [%] Bez svaru Kolmý směr k válcování Rovnoběžný směr k válcování 1 2 3 4 5 6 852 857 859 804 799 798 856 ± 3,6 800 ± 3,5 890 890 888 870 868 869 889 ± 1,2 869 ± 1,0 11,5 11,0 11,5 14,5 14,5 15,0 11,3 ± 0,29 14,7 ± 0,29 ½V svar Kolmý směr k válcování Rovnoběžný směr k válcování I/6 I/4 I/5 II/4 II/5 II/6 711 580 692 629 580 585 661 ± 70,8 598 ± 30,1 766 781 776 824 783 777 774 ± 7,6 795 ± 25,6 3,5 4,5 4,5 3,5 5,0 4,0 4,2 ± 0,58 4,2 ± 0,76 V svar Kolmý směr k válcování Rovnoběžný směr k válcování IV/4 IV/5 IV/6 III/4 III/5 III/6 611 626 548 663 658 653 595 ± 41,4 658 ± 5 798 835 814 858 862 851 816 ± 18,6 857 ± 5,6 4,5 4,0 3,5 5,5 6,5 6,5 4,0 ± 0,50 6,2 ± 0,58
13 Diagramy dokumentují příslušné změny. Jak z pracovních diagramů vyplývá tyto změny jsou dány především v oblasti elasticko-plastické, kde je již odlišný sklon lineární části. Jak již bylo uvedeno, je to dáno následkem lokálních deformací právě v oblasti svaru a ovlivněných struktur.
Průběh hodnot tvrdosti 300 Průběh tvrdosti ve svaru "1/2V" Hodnoty tvrdosti HV5 280 260 240 220 200 180 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Vzdálenost [mm] Průběh tvrdosti definuje oblast, kde bude probíhat přednostní deformace při zkoušce tahem 14
Fraktografická studie Lom vz. č. 1 bez svaru -kolmý směr k válcování. Ve střední části lomu jsou rozsáhlé trhliny. V celém průřezu je tvárné transkrstalické porušení s jamkovou morfologií. Lom vz. č. 4 bez svaru - rovnoběžný směr k válcování. 15
Co je příčinou fraktografických odlišností ve středu vzorku bez svaru? Střední část plechu má odlišnou strukturu, která je dána citlivostí technologie řízeného tváření. Tato technologie umožňuje dosáhnout specifických vlastností HSLA ocelí. Nepatrná změna se projeví na struktuře i konečných vlastnostech. 16
Lomová plocha vzorku IV/5 V svar - kolmý směr k válcování. Lokálnost plastické deformace, místy dle strukturní heterogenity je křehké poškození s morfologií transkrystalického štěpení. 17 Lomová plocha vzorku IV/5 V svar - rovnoběžný směr k válcování. Na jednom snímku je zachycen 100% tvárné porušení, zatímco na dalším je křehké poškození s morfologií transkrystalického štěpení.
Testy v posledním roce řešení Návrh svarových ploch (úkosů) pro V svar skladba svaru 18
TAH Označení vzorků únava Podložení Housen ka č. Proud I [A] U [V] Rychlost svařování v sv [m/min] Předehře v [ 0 C] 1 2 1-1; 1-2; 1-3 2-1; 2-2; 2-3 A11; A12; A12; A21; A22; A23 BEZ 1 2 1 2 130 242 130 242 19 28 19 28 4,0 13,0 4,0 13,0 - - - - 3 3-1; 3-2; 3-3 C31; C32; C33 S 1 2 130 242 19 28 4,0 13,0 - - 4 5 4-1; 4-2; 4-3 5-1; 5-2; 5-3 B41; B42; B42; B51; B52; B53 BEZ 1 2 1 2 120 240 120 242 19 29 19 28 4,0 13,0 4,0 13,0 75 80 75 80 6 6-1; 6-2; 6-3 D61; D62; D63 S 1 2 120 240 19 29 4,0 13,0 75 80 7 7-1; 7-2; 7-3 E71; E72; Vydrážkovaný 1 2 130 242 19 28 4,0 13,0 - -
20 Metalografická analýza makrodokumentace
Metalografická analýza Velikosti tepelně ovlivněných oblastí zjištěné z metalografických výbrusů. Svar. spoj Označení vzorků - tah Podložení Šířka tepelně ovlivněné oblasti [mm] LEVÁ PRAVÁ Velikost první housenky [mm] 1 1-1 BEZ 2,8 2,3 2,87 2 2-1 1,82 2,8 2,6 3 3-1 S 2,6 3,0 2,5 4 4-1 BEZ 2,85 3,6 2,14 5 5-1 3,7 3,4 2,6 6 6-1 S 2,6 1,4 2,0 7 7-1 7-3 Vydrážkovaný 2,52 2,34 2,64 2,14 2,65 2,7 21
Mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti byly zjištěny na univerzálním trhacím stroji Zwick-Roell ve Výzkumném ústavu ŠKODA Plzeň. Rychlost zatěžování byla opět do meze kluzu 7 mm/min a zbytek testu byl proveden při rychlosti 15 mm/min. Podložení 900 Výsledky ze zkoušky tahem 889 1 2 3 4 5 6 7 BEZ S BEZ S Vydrážkovaný Napětí [MPa] 850 800 750 700 790,7 678 814,7 766,3 769 726,7 687,1 667 701 787 800,7 695,3 694 782,3 856 Rp0,2 Rm 650 1 2 3 4 5 6 7 Bez svaru 22
Analýza mikrotvrdosti 360 Vzorek 71 hodnoty HV0,05 340 320 HV0,05 300 280 260 240 220 200 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Vzdálenost [mm] 4,5 5 5,5 6 6,5 7 Tepelně ovlivněná oblast s jemnozrnnou strukturou u vzorku 71. Rovnoosá zrna mají velikost do 4µm. Tomu odpovídá velikost zrna dle normy DIN 50601G=13. Jak vyplývá ze všech uvedených průběhů mikrotvrdostí, má základní materiál mikrotvrdost HV0,05 300. Svarový kov má mikrotvrdost HV0,05 okolo 275. Jak již bylo uvedeno, má tepelně ovlivněná oblast dvě odlišné struktury. Hrubozrnnou, která je v bezprostřední blízkosti svarového spoje. Tato struktura má mikrotvrdost mezi HV0,05=260-280. Následující jemnozrnná struktura dosahuje nejmenších hodnot, které se klesají až k HV0,05=220. 23
Vzorek 13 měl při zkoušce tahem nejnižší smluvní mez kluzu (625 MPa) a rovněž prokazoval i malou tažnost (4,7%). Jak dokumentuje fraktografická studie, jsou na lomové ploše dvě charakteristická poškození. Horní část lomové plochy vyznačující se vedle tvárného poškození i lokalitami křehkých lomových fazetek. Na snímku je zachycena také sekundární trhlina. Spodní část lomu se vyznačuje větším množstvím drobnějších jamek vytvářející nízkoenergetickou tvárnou separaci. 24
Vzorek 53 dosahuje velké tažnosti (7%) a dostatečné smluvní meze kluzu i pevnosti. To se projevilo i na charakteru lomu, u něhož nejsou vidět známky dvou rozdílných oblastí. Lom má po celé ploše charakteristickou jamkovou morfologii tvárného porušení. Lomová plocha je tvořena velmi jemnými jamkovitými útvary prokazující vzorku vyšší mez pevnosti i vyšší tažnost. 25
Vzorek 72 byl vybrán z toho důvodu, že má nejnižší tažnost a také je na lomové ploše vidět necelistvost, která je způsobena přítomností velkého množství nečistot ve svarovém spoji. Skupina č. 7 byla vydrážkována a proto, jak bylo uvedeno, by měla mít nejlepší předpoklad pro vytvoření co nejkvalitnějšího spoje. To se nepotvrdilo. EDX analýzou bylo zjištěno, že se jedná o cizí částici SiO 2. Lomová plocha vykazovala charakteristické poškození smykové, kdy jednotlivé jamky jsou ovlivněny šířením trhliny. 26
Dynamické zkoušky Zkoušky byly prováděny na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzita Pardubice, kde je realizoval Ing. Bohumil Culek Ph.D. Schéma zatěžovací sestavy 27
Zkušební vzorky byly zatíženy cyklickým míjivým zatížením o frekvenci 20 Hz 28 Označení vzorků vzorky bez svaru - skupina 0 (vzorky 01, 02,..., 15) - vzorky se svarovým spojem (různé technologie svařování) skupina A (vzorky A11, A12, A13, A21, A22, A23) skupina B (vzorky B41, B42, B43, B51, B52, B53) skupina C (vzorky C31, C32, C33) skupina D (vzorky D61, D62, D63) skupina E (vzorky E71, E72)
29 Grafické porovnání lineárních Wöhlerových charakteristik jednotlivých zkoušených skupin
Faktografická analýza únavových lomů Objektivní informace o tom, jaké mikromechanismy se na procesech šíření únavových trhlin v daných případech podílely, poskytuje fraktografická analýza lomových ploch, při které lze identifikovat jednotlivé mikrofraktografické znaky jednoznačně odpovídající určitému mechanismu porušování. Příkladem mohou být tvárné důlky, které vznikají v důsledku koalescence mikroporuch, ke které dochází při tvárném lomu houževnatých materiálů. Míru uplatnění dílčích mechanismů na procesu porušování lze z fraktografického hlediska kvantifikovat četností výskytu odpovídajících mikrofraktografických znaků (striací) na lomové ploše. Lom vzorku 13 vlevo únavové poškození postupné šíření, vpravo oblast dolomení Levá část únavového lomu oblast rychlého rozvoje lomu. Ačkoliv je to neuvěřitelné, byly zjištěny striace o rozteči 65µm. Tato vzdálenost sice odpovídá velikosti zrn v hrubozrnné oblasti, ale tato velikost je z fraktografické teorie těžko odůvodnitelná. 30
Typickým mikrofraktografickým znakem únavových lomů řady kovových konstrukčních materiálů jsou striace. Rozměrové charakteristiky striací, tj. jejich rozteč, výška a délka (resp. šířka pole), obsahují kvantitativní informaci o lokální odezvě materiálu na časově proměnné zatěžování, kterému je těleso s trhlinou vystaveno. Pro řešení otázek, souvisejících s únavovou životností těles a konstrukcí, je cenným zdrojem poznatků zejména rozteč striací, na jejímž základě lze stanovit makroskopickou rychlost šíření trhliny a strukturní stav materiálu, popř. napěťové pole. 31 Střední část lomu jsou zachyceny sekundární trhliny a striace mají velikost okolo 3µm. (vzorek 13) Detail předchozího snímku dokumentující jemné striace, které odpovídají jemnozrnné struktuře v tepelně ovlivněné oblasti.
32 V oblasti dolomení měl tvárný lom charakter transkrystalické jamkové morfologie. (vzorek 13)
Vzorky bez svaru měly zcela odlišný únavový lom. Ve střední oblasti, v místě kde je segregační pás, byly dominantní velké rozevřené trhliny, v jejichž blízkosti byly další menší. Vpravo dole jsou zachyceny odpočinkové oblasti (čáry). Lom se šířil od středu ke kraji. Únavový lom se šířil směrem doprava a v levé části došlo k dolomení. Vzorek 9. Spodní část lomu, který se šířil zleva směrem vpravo. Na snímku jsou zachyceny odpočinkové oblasti (beach marks). První vzdálenost je 490µm, druhá je 210µm, třetí již pouze 140µm, u dalších se vzdálenost snižuje, až je napětí trhliny tak vysoké, že se lom šíří rychle. 33
34 Závěr 1) Mikrolegovaná ocel DOMEX 700MC je z hlediska mechanických vlastností a pořizovací ceny velmi vhodnou náhradou stávajících konstrukčních ocelí např. dle ČSN 411523 (S355J2G3). 2) Mikrolegované oceli jsou odlévány kontinuálně, proto mají ve středu segregační pás. Jeho plošný podíl při tloušťce plechu 6mm nebyl podstatný. Jeho důležitost by se projevila při podstatně menších tloušťkách. Při použití těchto mikrolegovaných ocelových plechů o tloušťce menší jak 2 mm by bylo vhodné provést kontrolní analýzy, které by vyloučily nežádoucí změny požadovaných vlastností. 3) Vlastnosti ocelových plechů nejsou podstatně ovlivněny směrem válcování a lze je používat bez nutnosti sledování. 4) Při dodržení určitých technologických zásad nemají parametry svařování významný vliv na degradaci vlastností mikrolegovaných ocelí. Ukázalo se, že jemnozrnná část tepelně ovlivněné oblasti je nejvíce náchylná k rozvoji porušení. Další pozornost je nutné věnovat správnému provaření kořene svarového spoje. Nesmí být přítomny vnitřní defekty v podobě strusek, bublin, neprovařených oblastí a vměstků.
35 5) Předehřev plechů se neprokázal jak z hlediska tepelně ovlivněné oblasti, pevnosti v tahu, tak i chování při únavových dynamických testech důležitý. Narozdíl od předehřevu je nutné věnovat pozornost maximální teplotě, která v blízkosti svaru nesmí překročit 200 C. 6) Ze zvolených parametrů se osvědčily parametry svaření první housenky proudem 130A; napětí 19V; rychlost 4m/min, svaření druhé housenky proudem 242A; napětí 28V; rychlost 13 m/min. 7) Z dosažených výsledků dynamických testů vyplývá, že u všech svařených plechů došlo k poklesu únavové životnosti. Tento pokles je u dosažených hodnot únavové životnosti u svařených plechů a bez svaru podstatně větší než bylo zaznamenáno mechanických hodnot při statické zkoušce. Přesto lze tuto ocel použít např. na stavbu skříně kolejových vozidel.
DĚKUJI ZA POZORNOST